Основы расчета оборудования и операций плоской электромагнитной штамповки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.983; 539.374

ОСНОВЫ РАСЧЕТА ОБОРУДОВАНИЯ И ОПЕРАЦИЙ ПЛОСКОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ШТАМПОВКИ

А.В. Володин, Н.Е. Проскуряков, Н.Н. Архангельская

Разработаны алгоритм и метод расчета параметров технологических операций и оборудования для проектирования технологических операций электромагнитной эластоимпульсной штамповки плоских заготовок. Предложен метод выбора рациональных режимов работы оборудования и параметров технологической операции.

Ключевые слова: электромагнитная штамповка, эластоимпульсное деформирование, плоские заготовки, магнитно-импульсное оборудование, технологические параметры, индукторная система.

Плоская электромагнитная штамповка (ЭМШ) тонколистовых материалов обладает целым рядом преимуществ по сравнению с другими видами обработки.

1) малой длительностью рабочего цикла;

2) технологическим процессом (формовка, пробивка и отбортовка (рис. 1), легко встраивающимся в автоматизированные технологические линии;

3) простотой и низкой стоимостью рабочего инструмента (матрицы);

4) легкостью перешлифровки рабочих кромок, что увеличивает стойкость матрицы;

5) возможностью вырубки прокладок из тонких листовых материалов (0,02...1,5 мм), в том числе из неметаллических материалов: картон, фторопласт, лакоткань, полиэтилен и т.д., с высокой точностью без применения высокоточных штампов;

6) возможность. точного регулирования электродинамических сил путем изменения электрических параметров установки.

При разработке новых технологических процессов плоской магнитной эластоимпульсной штамповки (МЭИШ) требуется определение основных параметров системы «оборудование - инструмент - заготовка», таких, как напряжение заряда конденсаторов магнитно-импульсной установки (МИУ), начальный зазор между токовым контуром и заготовкой, энергоемкость процесса.

Для решения этой задачи необходимо решить сложную электромеханическую систему нелинейных дифференциальных уравнений с перебором начальных условий. Без определения данных параметров на стадии проектирования технологического процесса велика вероятность ошибки [1, 2].

В производственных условиях после серии натурных экспериментов в большинстве случаев удается подобрать подходящие параметры системы «МИУ - индуктор - заготовка», но они, как правило, далеки от оптимальных. Однако построение натурного эксперимента часто связано с большими временными и материальными затратами. Поэтому авторами была разработана математическая модель электромеханических процессов, происходящих во время рабочего разряда МИУ.

Рис. 1. Схема плоской МЭИШ: 1 - индуктор заготовка; 2 - подвижный элемент (лайнер); 3 - эластомер; 4 - заготовка; 5 - матрица;

6 - контейнер (СР - блок конденсаторов; ЗУ - зарядное устройство)

Укрупненный алгоритм работы созданной математической модели представлен на рис. 2 и состоит из следующих блоков:

Блок 1 предназначен для ввода исходных данных технологического процесса плоской ЭМШ;

Блок 2 служит для расчета неизменяемых переменных в течении решения математической модели;

Блок 3 - задание начального значения напряжения заряда конденсаторов;

Блок 4 - расчет безразмерных параметров процесса, зависящих от напряжения заряда конденсатора;

Блок 5, 6 - цикл присвоения начальных условий интегрирования при новом напряжении;

Блок 7, 8 - присваивание значений функций перед началом интегрирования;

Блок 9 - 12 - расчет значений функций на этом шаге интегрирования;

Блок 13 - вывод значений функций в файл;

Блок 14 - условие завершения расчетов с данным напряжением заряда конденсаторов;

Блок 15 - решение системы дифференциальных управлений методом Рунге - Кутта четвертого порядка;

Блок 16 - увеличение времени на величину шага интегрирования.

Рис. 2.Схема алгоритма расчета операций плоской ЭМШ

На основе созданных математических моделей процессов ЭМШ осесимметричных заготовок разработаны методика расчетов и комплекс прикладных программ, включающие в себя расчет технологической операции, задачи выбора оптимальных режимов работы оборудования, параметров индукторной системы и оснастки.

При этом разработки могут идти по нескольким направлениям:

- выбор из уже имеющихся в наличии МИУ (из базы данных по установкам) для конкретно заданной технологии;

- проектирование новой МИУ для заданной технологической операции;

- проектирование или оптимизация параметров индукторной системы при заданных параметрах технологии и оборудования;

- комплексное проектирование и оптимизация параметров системы «оборудование-инструмент-заготовка».

Во всех случаях необходимо определить основные параметры процесса ЭМШ и его энергоемкость, произвести расчет индукторной системы и выбрать оптимальный режим работы оборудования.

Энергоемкость процесса ЭМШ зависит не только от параметров системы «оборудование - инструмент - заготовка» в отдельности, но и от их взаимодействия, поэтому при моделировании системы и оптимизации параметров предлагается для получения математической модели системы использовать машинный эксперимент на основе разработанных математических моделей в сочетании с факторным планированием эксперимента

На первом этапе проектирования предпочтительно решать задачу выбора параметров технологии и оборудования. Далее, определив интервалы изменения параметров системы и план машинного эксперимента, необходимо переходить к расчету оптимальных параметров процесса ЭМШ, что позволяет уточнить выбор и назначение параметров системы «установка - индуктор - заготовка».

[3].

а

б

в

Рис. 3. Образцы неметаллических деталей, получемых плоской штамповкой: а - парафинированная бумага БП-4-28; б - пленка полиимидная толщиной 0,04 мм; в - картон электроизоляционный ЭВ-0,5

Геометрические параметры и механические характеристики получаемых деталей представлены в таблице.

Параметры получаемых деталей

Параметры Парафинированная бумага Пленка поли-имидная Картон электроизоляционный

Толщина, мм 0,1 0,04 0,5

Вырубаемый периметр, мм 246 88,2 246

Плотность, р кг/м3 730 1370 1150

Прочность,о МПа 70 170 85

Энергоемкость операции, кДж 4,33 5,81 16,22

Разработанные модели и программы численных расчетов операций МЭИШ позволяют значительно сократить трудоемкость расчетных работ, время выбора оптимального варианта технологии и оборудования, повысить качество принимаемых технических решений, что ускоряет научно-технический прогресс в данной области.

Список литературы

1. Расчет технологических параметров процессов электромагнитной штамповки плоских заготовок с использованием концентраторов / А.В. Володин, Н.Е. Проскуряков, А.К. Талалаев, ЛайДай Занг // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. № 4. С. 55 - 63.

2. Проскуряков Н.Е. Магнитно-импульсные машины (установки) / Н.Е. Проскуряков, А.К. Талалаев: Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. - М.: Машиностроение // Машины и оборудование кузнечно-штамповочного и литейного производства. Т.1У-4 / Ю.А. Бочаров, И.В. Матвеенко и др.; Под общ. ред. Ю.А. Бочарова, И.В. Матвеенко, 2005. - С. 453-458.

3. Проскуряков Н.Е., Лай Д.З. Оптимизация параметров системы «оборудование-инструмент-заготовка» в операциях электромагнитной штамповки трубчатых заготовок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 6. Ч. 2. С. 79 - 83.

Володин Алексей Валерьевич, асп., v.leshka@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Проскуряков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., vippne@mail. ru,Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Архангельская Наталья Николаевна, канд. техн. наук, доц., arhangel_nataly@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE BASIS OF THE CALCULA TION OF THE EQUIPMENT AND OPERA TIONS OF A PLANE ELECTROMAGNETIC FORMING

A.V. Volodin, N.E. Proskuriakov, H.N. Arhangelskaia

When designing technological operations electromagnetic forming planeblanks need the right choice of rational equipment operation modes and parameters of magnetic pulse settings. We offeredthe variants calculating of the parameters of technological operations and equipment.

Key words:electromagnetic forming, plane blanks, magnetic pulse equipment, technological parameters, inductor system.

Volodin Alexei Valerievich, postgraduate, v. leshka@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Proskuriakov Nikolai Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, vippne@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Arkhangelskaia Natalia Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, arhan-gel_nataly@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University